基于STC12C5A60S2的無線智能種苗場監測系統設計

楊思學+田穎

【摘要】為了解決監控種苗場的溫度、濕度、光照等耗功耗時問題，特設計一種基于STC12C5A60S2單片機的無線智能種苗場監控系統，便于集中監控苗場的實時情況。該系統以STC12C5A60S2單片機為控制核心，將溫濕度、光照傳感器實時采集的數據進行處理，每隔2 min通過GPRS上報到云端，同時在云端進行設置監控閾值，當數據達到閾值時進行報警。系統安裝簡單，自動化程度高，能滿足對種苗場溫濕度控制的要求。

年來，我國設施園藝產業穩步發展，但種植業的智能化研發與應用還有待發展和推進。當種苗場進行集中育苗，且幼苗對溫濕度及光照環境要求較高時，需要實時對溫室內的環境進行監測。傳統監測方法一般是在溫室中懸掛溫度計和濕度計，并進行人工讀數。在實際生產中發現，人工讀取溫濕度計的示數，不僅費時費力、效率低下，且所得示數的精確度不高。

為解決上述問題，筆者設計了一種無線智能種苗場監測系統，此系統以STC12C5A60S2單片機為控制核心，利用DHT12傳感器采集溫濕度，BH1750傳感器采集光照值，并實時上報至云端。用戶可以隨時通過手機或者電腦獲取溫室內的實時數據。

系統總體設計

該系統由雙串口的STC12C5A60S2單片機、DHT12溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、HMI串行人機接口和SIM800 GPRS模塊組成，單片機通過I/O端口讀取溫濕度傳感器和光照傳感器的數據，然后單片機的串口1實時向HMI人機接口發送刷新命令，在溫室內的人員可以通過顯示屏讀取數據示數。每隔2 min單片機的串口2向GPRS模塊發送Socket通信指令，將讀取的數據上傳至云端。同時，在云端的數據庫中，用戶可以設置相關閾值，如果達到了設定閾值要求，云端向SIM800模塊發送指令，SIM800通過GSM向用戶的預留手機發送短信報警。

系統的硬件設計

主控制模塊

STC12C5A60S2單片機是整個系統的核心控制單元，主要用來接收各個模塊的數據，協調各個模塊互相工作。STC12C5A60S2是一種低電壓、高性能的國產8位單片機。它有32個準雙向I/O端口，2個16位可編程定時器，2個全雙工串行通信口，器件兼容標準MCS-51指令系統。此款單片機將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可以反復擦寫的Flash存儲器有效地降低開發成本。因此，此次系統設計選用了這款單片機作為整個系統的核心控制單元。

溫濕度傳感器

DHT12數字式溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，為DHT11的升級產品。DHT12具有單總線和標準I2C兩種通訊，且單總線通訊方式完全兼容DHT11。相對濕度的量程范圍為20%～95%，在室內相對濕度為40%～80%的環境下誤差最小。相對溫度的量程范圍為-20～60℃，在室內溫度為-10～30℃環境下誤差最小。

串行HMI人機接口

智能串口屏通過上位機設計界面，可以設計彩色的背景、文本框、按鈕等。在上位機設計好后下載到顯示屏，上電后即可顯示，通過單片機對其進行指令操作即可改變文本框的值，當按下按鈕時會通過串口向單片機發送數據。操作簡單且交互效果好。

SIM800A模塊

SIM800A模塊的工作頻段為GSM 900/

1800 MHz。可以實現電話語音、SMS（短信、彩信）、GPRS數據傳輸功能（支持透傳模式、域名解析和IP模式），用單片機的串口向其發送指令，即可實現對外撥打電話、發送短信、通過GPRS連接因特網等功能。

系統的軟件設計

本系統軟件部分由負責采集傳感器的51單片機程序、負責數據接收和處理的云端服務程序組成。單片機上電后，程序依次對各個傳感器和定時器進行初始化，定時器開始計時，到達預設時間時，單片機自動讀取傳感器數據并將數據上傳至云端（圖1）。云端上位機運行后對數據庫和套接字進行初始化，當套接字接收到數據時，對接收到的數據進行解析，并分別插入對應的數據表內（圖2）。

51單片機程序

在系統硬件的基礎上，設計51單片機程序，通過I/O的控制可以讀取各個傳感器的數據，通過串口通信進行HMI人機接口的數據輸出和GPRS的數據發送。

服務器接收程序

Socket處理程序 單片機向GPRS模塊發送指令，通過Socket連接服務器。每一組數據都包含一定的標識符，該系統的數據格式為：溫度#濕度#光照。當數據發送到服務器后，服務器上運行的C#編寫的上位機程序對數據進行解析，并添加到MySQL數據庫中。

網頁顯示程序 該系統通過PHP+HTML語言設計實時監控網頁，調用ECharts控件對數據進行曲線顯示。通過HTML實現網頁的框架設計，用PHP從MySQL數據庫中讀取數據，并且將數據賦值給網頁中的表格和ECharts圖表，便于幫助用戶直觀的記錄和了解數據參數，省去數據處理的麻煩，可以很好地實現實時監控。

實地測驗

為了驗證產品（圖3）的工作效果，于2016年7～9月在石家莊市某種苗場進行實地測試。日光溫室內的平均氣溫為28℃，最大濕度為70%，當網絡中斷導致數據上傳失敗時，服務器端會主動與單片機監控系統通信，單片機監控系統自動進行重新啟動。整套設備懸掛于溫室中3個月，由于測量數據眾多，截取9月11日12：00～9月12日12：00系統測得的溫度和濕度的數據見圖4～5。分析可知，該系統工作穩定，所得數據可以合理的反映溫室環境參數的變化情況。

結束語

經過實地考察，發現目前現有的種苗場的自動化程度很低，大多數種苗場仍在使用原始的溫、濕度計，即使現有的監控系統也大多需要PC機進行指標讀取。本系統通過單片機控制，實現實時監控數據，并且隨時通過手機的GPRS信號將數據上傳到云端。該產品成本低，效果好，對于提高經濟效益、種苗的自動化發展具有重要意義。

參考文獻

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